UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS
RETROVISORES INTERNOS PARA LA EMPRESA
CHEVYSTAR
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
EDWIN FABIÁN PILATUÑA GUALOTO
DIRECTOR: ING. VLADIMIR BONILLA, MSc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 172098261-8
APELLIDO Y NOMBRES: PILATUÑA GUALOTO EDWIN FABIÁN
DIRECCIÓN: Carlos Mantilla y San Luis lote N°2
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022821321
TELÉFONO MOVIL: 0984791923
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DE VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS RETROVISORES INTERNOS PARA LA EMPRESA CHEVYSTAR.
AUTOR O AUTORES: Pilatuña Gualoto Edwin Fabián
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
27/07/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Vladimir Bonilla, MSc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo describe el proceso de
diseño e implementación de un sistema de validación de funcionamiento de retrovisores internos para la empresa Chevystar, para
esto se implementó una nueva metodología en V para sistemas mecatrónicos que inicia con la obtención de los requerimientos de la empresa auspiciante para luego realizar el
diseño de cada elemento mecánico,
eléctrico-electrónico y de control necesarios para llevar a cabo este proyecto, finalmente se integró cada parte para obtener el sistema
de validación de funcionamiento de
retrovisores internos. El proyecto se
compone de la estructura ajustable donde se coloca de forma manual un retrovisor, el sistema electrónico donde se encuentra un microcontrolador que dirige un sensor de color y los motores lineales de un dispositivo de activación, asimismo de un sistema eléctrico que consta de entradas y salidas de audio de un computador que se acoplan en la estructura y de una interfaz de control de aplicación .NET inspeccionada por el usuario mediante un computador que a través de la interacción entre el sistema eléctrico-electrónico y mecánico se puede visualizar los resultados de la validación de cada elemento que contiene un retrovisor interno que son: los botones de asistencia, el micrófono interno, el LED y la bocina incorporada. Los elementos mecánicos y electrónicos se diseñaron en software CAD para comprobar el cumplimiento de las
especificaciones establecidas por la
empresa. Finalmente el sistema de
validación se sometió a pruebas de funcionamiento para verificar la operación del mismo.
PALABRAS CLAVES: Implementación, sistema, retrovisor,
funcionamiento, estructura, interfaz de control, usuario, validación.
ABSTRACT: This project describes the design and
implementation process for a validation system of internal driving mirrors operation at the Chevystar Company. For this reason was implemented the new methodology in V for mechatronic systems, it begins with the elaboration of the requirements of the sponsoring company, for later make the
DEDICATORIA
Este trabajo dedico a mi familia que siempre ha estado apoyándome para que siga progresando personal y profesionalmente.
A mis padres José Pilatuña y María Gualoto que son lo más importante en mi vida, porque de una u otra manera siempre están dando lo mejor de sí, para que su hijo sea una persona educada.
A mis hermanos por sus consejos, enseñanzas, cuidados y paciencia en los buenos y malos momentos en mi vida.
A las nuevas integrantes de mi familia Mayra y Camila que con su cariño, compañía y compresión contribuyeron a este logro obtenido.
AGRADECIMIENTO
Al Ing. José Miguel Figueroa, Jefe del departamento de diseño de herramentales y producción de la empresa Road Track por su apoyo, paciencia y permitir la implementación del sistema de validación
INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
1. INTRODUCCIÓN. 2. MARCO TEÓRICO. 2.1. MODELO DE UN MOTOR LINEAL... 5
2.2. ANÁLISIS DEL MODELO DE UN MOTOR ELÉCTRICO LINEAL. . 10
2.3. INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR LINEAL MEDIANTE MICROCONTROLADOR ... 15
3. METODOLOGÍA Y DISEÑO DEL SISTEMA MECATRÓNICO. 3.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA. ... 19
3.2. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO. ... 20
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA. ... 21
3.4. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA. ... 22
3.4.1. SISTEMA MECÁNICO - ELÉCTRICO. ... 23
3.4.1.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA. ... 23
3.4.1.2. DISEÑO DE DISP. DE ACTIVACIÓN AUTOMÁTICA DEL PANEL DE BOTONERA ASISTENCIA. ... 25
3.4.2. SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO. ... 28
3.4.2.1. DISEÑO DE SISTEMA ELECTRÓNICO. ... 28
3.4.2.2. DISEÑO DE SISTEMA ELÉCTRICO. ... 34
3.4.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL. ... 38
3.4.3.1. ALGORITMO DE CONTROL ELECTRÓNICO CON PIC. . 38
3.4.3.2. INTERFAZ DE CONTROL DESDE UN PC. ... 40
PRUEBA DE FUNCIONALIDAD DE BOTONERA. ... 41
PRUEBA DE ENCENDIDO DE LED DE RETROVISOR. ... 42
PRUEBA DE AUDIO DE BOCINA DE RETROVISOR ... 43
PRUEBA MICRÓFONO DE RETROVISOR. ... 44
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 4.1. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA. ... 46
4.1.1. SISTEMA MECÁNICO - ELÉCTRICO. ... 46
4.1.2. SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO. ... 47
4.1.2.1. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO. ... 47
4.1.2.2. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO ... 48
4.1.3. SISTEMA DE CONTROL. ... 48
4.2. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA ... 49
4.3. PRUEBAS DEL SISTEMA MECATRÓNICO ... 52
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. CONCLUSIONES. ... 61
RECOMENDACIONES. ... 62
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Motor lineal por accionamiento electromecánico ... 1
Figura 2. Direccionamiento de materiales. ... 2
Figura 3. Sistema de ventilación automática. ... 2
Figura 4. Sistema de llenado automático de líquidos. ... 3
Figura 5. Sistema motor CC. Lineal. ... 5
Figura 6. Motor eléctrico lineal (Modelo de implementación). ... 10
Figura 7. Bloque Motor CC... 11
Figura 8. Bloque fricción rotacional. ... 11
Figura 9. Tornillo sin fin (Caja de cambios). ... 11
Figura 10. Mecanismo Rueda y Eje. ... 11
Figura 11. Fuente ideal de fuerza. ... 12
Figura 12. Bloque generador de señal. ... 12
Figura 13. Señal digital con variación discreta en el tiempo. ... 13
Figura 14. Sensores en análisis de motor lineal... 13
Figura 15.Variación de corriente en función del tiempo. ... 14
Figura 16. Variación de velocidad angular en función del tiempo. ... 14
Figura 17. Variación de velocidad lineal en función del tiempo. ... 15
Figura 18. Funcionamiento de puente H con transistores. ... 16
Figura 19. Esquema de C.I L293D. ... 16
Figura 20. Circuito de control de un motor CC. ... 17
Figura 21. Configuración opcional 1 de control de un motor CC. ... 18
Figura 22. Configuración opcional 2 de control de un motor CC. ... 18
Figura 23. Diagrama del modelo V para sistemas Mecatrónicos. ... 19
Figura 24. Diagrama de comunicación del sistema de validación. ... 21
Figura 25. Diagrama funcional del sistema de validación. ... 22
Figura 26.Diseño de pieza de empuje. ... 23
Figura 27. Brida de amarre. ... 24
Figura 28.Diseño de la estructura o chasis ajustable. ... 24
Figura 29. Distancia entre botones del panel de asistencia. ... 25
Figura 30. Motor lineal FIRGUELLI serie L12 tipo “S”. ... 26
Figura 32. Diseño mecánico del sistema de validación de retrovisores. ... 27
Figura 33. Distribución de pines PIC18F452. ... 29
Figura 34. Circuito regulador de alimentación. ... 29
Figura 35. Pines de conexión DB9 RS232. ... 30
Figura 36. Circuito de comunicación serial. ... 31
Figura 37. Circuito de conexión de cristal MCLR y conector ICSP. ... 31
Figura 38. Sensor HDJD-S822. ... 32
Figura 39. Circuito de conexión del sensor HDJD-S822. ... 33
Figura 40. Pines indicadores de color del sensor... 33
Figura 41. Circuito de potencia del dispositivo de activación automática. ... 34
Figura 42. Circuito amplificador de audio. ... 34
Figura 43. Micrófono Unidireccional. ... 35
Figura 44. Pines de conexión de un relé doble ... 36
Figura 45. Circuito electrónico digital de control y protección del relé. ... 36
Figura 46. Circuito selector de entrada de audio ... 37
Figura 47. Implementación de sistema eléctrico- electrónico. ... 37
Figura 48. Diagrama de flujo de control electrónico con PIC. ... 39
Figura 49. Diagrama de flujo de algoritmo de control principal desde PC. .. 40
Figura 50. Diagrama de flujo de prueba de funcionalidad de botonera. ... 41
Figura 51. Diagrama de flujo de prueba de encendido de led. ... 42
Figura 52. Diagrama de flujo de prueba de audio de bocina de retrovisor. . 43
Figura 53. Diagrama de flujo de prueba del micrófono del retrovisor. ... 44
Figura 54. Sistema mecánico construido ... 46
Figura 55. Dispositivo de activación automática construido ... 46
Figura 56. Tarjeta de sistema electrónico construida. ... 47
Figura 57. Tarjeta de sistema electrónico ensamblada. ... 47
Figura 58. Tarjeta de sistema eléctrico ensamblada. ... 48
Figura 59. Interfaz de control de sistema de validación de retrovisores. ... 49
Figura 60. Acoplamiento de tarjetas de sistema electrónico y eléctrico. ... 49
Figura 61. Ajuste de componentes de sistema electrónico en chasis ... 50
Figura 62. Adaptación de sensor en chasis o sistema mecánico. ... 50
Figura 64. Micrófono PC en pieza de ajuste. ... 51
Figura 65. Conector de comunicación automática de retrovisor ... 51
Figura 66. Conector en pieza de ajuste. ... 51
Figura 67. Integración del sistema de validación. ... 52
Figura 68. Conexión exitosa puertos COM ... 53
Figura 69. Inicio de pruebas de validación. ... 54
Figura 70. Identificación de led de color rojo en la interfaz de control. ... 54
Figura 71. Encendido del led rojo en sistema de validación ... 55
Figura 72. Identificación de led de color verde en la interfaz de control. ... 55
Figura 73. Encendido de led verde en sistema de validación. ... 56
Figura 74. Prueba correcta de beep de bocina. ... 56
Figura 75. Verificación de micrófono interno. ... 57
Figura 76. Ubicación de archivo de registro de pruebas validadas. ... 57
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Requerimientos del sistema mecatrónico. ... 20
Tabla 2. Medidas del panel de asistencia. ... 25
Tabla 3. Características de motor lineal FIRGUELLI ... 26
Tabla 4. Dimensionamiento del microcontrolador. ... 28
Tabla 5. Especificaciones de micrófono Unidireccional. ... 35
Tabla 6. Pruebas de funcionamiento del sistema de validación. ... 58
Tabla 7. Tiempo de la línea de producción de retrovisores ... 59
ÍNDICE DE ANEXOS
RESUMEN
ABSTRACT
La importancia del diseño e implementación del sistema de validación es mejorar las condiciones de trabajo y facilitar las labores cotidianas dentro de la empresa, teniendo así una mayor agilidad y eficiencia en los procesos de producción de la empresa, ya que el proceso de validación del funcionamiento de retrovisores internos Chevystar puede resultar agotador, repetitivo, lento y tedioso.
Con el desarrollo de este sistema se tendrá un control de calidad en las líneas de validación de retrovisores de forma automática disminuyendo el personal humano y trayendo como consecuencia beneficios económicos.
Debido al gran número de movimientos de mecanismos en máquinas que se pueden encontrar en diversas industrias, los movimientos lineales son de gran importancia por su gran precisión y velocidad.
Se tiene diversas maneras de obtener movimientos lineales, en este caso se trata de un motor lineal de corriente continua (cc) en sí es una máquina que transforma directamente la cc en movimiento lineal, en la figura 1, se muestra un ejemplo de este tipo de actuadores, el cual consta de un motor cc y debido a eso el movimiento del vástago depende de la forma de polarización del mismo.
Al utilizar este tipo de motores hay la posibilidad de la sustitución de cilindros neumáticos con esto se busca la simplicidad de instalación, el fácil control de desplazamiento en fuerza y velocidad y eliminar el ruido.
La manera de un motor lineal de adaptarse a distintas necesidades se refleja en soluciones eficaces en una amplia gama de aplicaciones a continuación se describe algunas de ellas.
Como se observa en la figura 2, se utiliza en el transporte de materiales o direccionamiento de productos en algún proceso de la industria.
Figura 2. Direccionamiento de materiales. (OSP, 2012)
La figura 3 muestra la aplicación en puertas automáticas de ascensor o para apertura y cierre de ventanas, accionamiento de ductos de ventilación, apertura de portones en edificios inteligentes.
Figura 3. Sistema de ventilación automática. (OSP, 2012)
Figura 4. Sistema de llenado automático de líquidos. (OSP, 2012)
También utilizados en proyectos militares de defensa que van desde vehículos aéreos no tripulados hasta simuladores de vuelo.
En maquinaria agrícola acciona la cuchilla de descarga del grano, regula la cantidad de semilla por hectárea y eleva las tapas de tolva de granos.
Otras aplicaciones son por ejemplo, la regulación de pantallas solares y antenas satelitales, apertura de puertas y ventilaciones en hornos automáticos, accionamiento de turbinas de viento además en la industria hospitalaria ayuda a ajustar camillas hospitalarias.
El objetivo general presentado en este proyecto es diseñar e implementar un sistema automático para la validación de funcionamiento de retrovisores internos de los automóviles Grand Vitara.
Los objetivos específicos que se buscan alcanzar con este proyecto son:
Diseñar y construir una estructura mecánica ajustable para el retrovisor.
Diseñar y construir un dispositivo para la activación automática (evitando la intervención del operador) del panel de asistencia de los retrovisores.
Diseñar y construir un sistema electrónico para validar el funcionamiento de la comunicación del panel de asistencia de los retrovisores.
Implementar un software de computador para la verificación del correcto funcionamiento de panel de asistencia en los retrovisores, mediante la interpretación del protocolo integrado en estos dispositivos.
Validar el funcionamiento del sistema y registrar la información de cada iteración.
Este capítulo presenta la información básica para desarrollar el presente trabajo de titulación. Contiene el análisis de funcionamiento de cada uno de los componentes físicos que se necesita para el desarrollo del sistema.
2.1. MODELO DE UN MOTOR LINEAL.
En el análisis del comportamiento dinámico de un sistema (fase de análisis), o su mejora temporal o frecuencial (fase de diseño), se requiere del conocimiento del modelo matemático tanto del sistema como de las señales que hay en su alrededor, este análisis es importante en las nuevas fases de elaboración y producción de los equipos (Dueñas, 2008).
Se requiere del conocimiento físico del sistema, unidades de las constantes que aparecen en el modelo, selección apropiada de las variables de estado y conocimiento de desarrollo de ecuaciones diferenciales utilizando la transformada de Laplace y a su vez para poder observar el comportamiento se emplea un simulador el cual para objeto de estudio se utiliza SIMULINK que es una herramienta del programa MATLAB.
El sistema a modelar consiste de un motor corriente continua (cc) lineal, que se emplea para fines de simulación de un motor cc rotatorio convencional, un reductor de potencia mecánica compuesto de engranes y un tornillo sin fin como se muestra en la figura 5.
Las características en este sistema son: 𝑈(𝑡) la tensión de alimentación del rotor, 𝐼𝑎(𝑡) corriente de armadura que circula por el rotor, Ra es la resistencia
del bobinado del rotor, La inductancia del bobinado del rotor, Vb es la fuerza
contra electromotriz, Te es el par o torque electromagnético producido por el
motor, T1 es el par o torque producido en la entrada del reductor, T2 es el par
o torque producido a la salida del reductor, 𝜃1 desplazamiento angular del eje del motor, 𝜃2desplazamiento angular de salida del reductor de engranes, r1 y
r2 son los radios de engranes del reductor, N1 y N2 son el número de dientes
de engranes del reductor, L es la distancia recorrida por el tornillo sin fin, M es la carga del tornillo sin fin que tiene un desplazamiento horizontal.
El momento de torsión total incluyendo rotor, eje y engrane primario, está definido por J1 y el coeficiente de fricción relacionado a este eje es B1, y
aquellos correspondientes a la carga del tornillo sin fin son J2 y B2.
Se procede a plantear las ecuaciones eléctricas y mecánicas en el dominio del tiempo que acoplan el motor con el reductor
{
𝑈(𝑡) = 𝑅𝑎. 𝐼𝑎(𝑡) + 𝐿𝑎. 𝑑𝐼𝑎(𝑡)
𝑑𝑡 + 𝑉𝑏(𝑡)
𝐽1𝑑 2𝜃
1(𝑡)
𝑑𝑡2 = 𝑇𝑒(𝑡) − 𝑇2(𝑡) − 2𝐵1
𝑑𝜃1(𝑡) 𝑑𝑡
𝑇2(𝑡) = 𝐵2𝑑𝜃2(𝑡)
𝑑𝑡 + 𝐽2
𝑑2𝜃 2(𝑡) 𝑑𝑡2
𝑉𝑏(𝑡) = 𝑘𝑏𝑑𝜃1(𝑡) 𝑑𝑡
[1]
Siendo 𝐾𝑏 la constante de fuerza contra-electromotriz.
Para mantener un funcionamiento lineal la intensidad de campo de estator debe ser contante para que el flujo del entrehierro no varié.
𝑇𝑒(𝑡) = 𝐾𝑖𝐼𝑎(𝑡) [2]
En donde 𝐾𝑖 es la constante de torque electromagnético.
Además se plantea la siguiente ecuación.
𝑇𝑒(𝑡) = 𝑇1(𝑡) + 𝑇2(𝑡) [3]
El tren de engranajes transmite energía de un punto a otro casi sin pérdidas, adaptando el desplazamiento angular y el par mecánico.
En un tren de engranajes se obtiene la siguiente ecuación.
𝑇1 𝑇2
=𝜃2 𝜃1
= 𝑟1 𝑟2
= 𝑁1 𝑁2
= 𝜔2
𝜔1
[4]
Donde 𝜔1 y 𝜔2 se refiere a la velocidad angular de entrada y salida en el tren
de engranajes.
A partir de la ecuación 4 los pares T1 y T2 se relacionan por medio de los desplazamientos angulares 𝜃1 y 𝜃2 y por el número de dientes de los
engranajes 𝑁1 y 𝑁2. Esta relación se presenta a continuación.
𝑇1(𝑡) 𝑇2(𝑡)
=𝜃2(𝑡) 𝜃1(𝑡)
= 𝑁1 𝑁2
→ 𝜃1(𝑠) = 𝑁2 𝑁1
𝜃2(𝑠)
Se obtiene la relación entre la corriente de armadura y el desplazamiento angular de la carga del tornillo sin fin, como se ve en la ecuación 6.
{𝐼𝑎(𝑠) =[(𝑁2𝐽1+ 𝑁1𝐽2)𝑠
2+ (2𝑁
2𝐵1+ 𝑁1𝐵2)𝑠]
𝐾𝑖𝑁1 𝜃2(𝑠)
[6]
La inductancia La se puede despreciar debido que el transitorio en que actúa
el inductor es pequeño:
Y la función de transferencia entrada - salida 𝑈(𝑠) y 𝜃2(𝑠):
𝜃2(𝑠)
𝑈(𝑠) =
𝐾𝑖𝑁1
[(𝑁2𝐽1+ 𝑁1𝐽2)𝑅𝑎]𝑠2+ [(2𝑁2𝐵1+ 𝑁1𝐵2)𝑅𝑎+ 𝑘𝑏𝐾𝑖𝑁2]𝑠
[7]
Debido a que la velocidad angular es proporcional al cambio de posición angular respecto al tiempo, es decir:
𝜔2(𝑡) =𝑑𝜃2(𝑡)
𝑑𝑡 → 𝜔2(𝑠) = 𝑠𝜃2(𝑠) [8]
La función de transferencia entrada - salida 𝑈(𝑠) y 𝜔2(𝑠):
{ 𝜔2(𝑠)
𝑠𝑈(𝑠)=
𝐾𝑖𝑁1
[(𝑁2𝐽1+ 𝑁1𝐽2)𝑅𝑎]𝑠2+ [(2𝑁2𝐵1+ 𝑁1𝐵2)𝑅𝑎+ 𝑘𝑏𝐾𝑖𝑁2]𝑠 𝜔2(𝑠)
𝑈(𝑠) =
𝐾𝑖𝑁1
[(𝑁2𝐽1+ 𝑁1𝐽2)𝑅𝑎]𝑠 + [(2𝑁2𝐵1+ 𝑁1𝐵2)𝑅𝑎+ 𝑘𝑏𝐾𝑖𝑁2]
Para convertir el movimiento giratorio de la salida del tren de engranajes en un movimiento lineal se utiliza la siguiente ecuación:
𝜗 = 𝑝. 𝜔 → 𝑑𝑥(𝑡)
𝑑𝑡 = 𝑝. 𝜔(𝑡)
[10]
Donde:
𝜗: Velocidad lineal de avance (mm/min).
𝑝: Paso de tornillo (mm).
𝜔: Velocidad de rotación del tornillo o tuerca (rpm).
Esta ecuación es correspondiente a un tornillo sin fin, el cual es un mecanismo transformador de movimiento.
El pasó de tornillo o distancia lineal recorrida se describe así:
𝐿 = 2𝜋𝑟 [11]
Donde:
r: radio del tornillo.
La ecuación de movimiento giratorio a movimiento lineal es:
{
𝑠𝑥(𝑠) = 2𝜋𝑟. 𝜔(𝑠)
𝜔(𝑠) =𝑠𝑥(𝑠)
2𝜋𝑟
Finalmente la función de transferencia de un motor cc lineal, es decir la entrada U(s) y la salida x(s):
𝑥(𝑠)
𝑈(𝑠)=
2𝐾𝑖𝑁1𝜋𝑟
[(𝑁2𝐽1+ 𝑁1𝐽2)𝑅𝑎]𝑠2+ [(2𝑁2𝐵1+ 𝑁1𝐵2)𝑅𝑎+ 𝑘𝑏𝐾𝑖𝑁2]𝑠
[13]
Se observa que la función de transferencia es de segundo orden. Además, posee un polo en el origen y un polo simple.
2.2. ANÁLISIS DEL MODELO DE UN MOTOR ELÉCTRICO LINEAL.
El análisis se realiza para tener conocimiento del comportamiento de la corriente, movimiento giratorio y movimiento lineal de un motor lineal debido a eso se utiliza un modelo de implementación de SIMULINK como se muestra en la figura 6, el actuador consta de un motor de corriente continua, un tornillo sin fin con una relación de transmisión de 6,25:1 que a su vez acciona un tornillo de avance de 3mm para producir un movimiento lineal.
La carga nominal es de 1000 N y la tensión nominal es de 24 V DC
El motor eléctrico lineal consta de un bloque de motor cc que se muestra en la figura 7, representa las características y el par de un motor cc, asume que no hay pérdidas de energía electromagnética por tanto la constante de fuerza electromotriz (f.e.m.) y par se mantiene.
Figura 7. Bloque Motor CC.
Además el bloque complementario de un motor cc lineal es la fricción rotación de contacto que hay en el motor, tiene dos puertos R y C que son de conservación de rotación mecánica, el bloque transmite el par del motor desde el puerto R al puerto C como se observa en la figura 8.
Figura 8. Bloque fricción rotacional.
Para la generación de movimiento lineal en el motor se coloca un bloque de caja de cambios el cual representa en este modelo un tornillo sin fin como se observa en la figura 9, se caracteriza por el único parámetro, la relación de transmisión.
Figura 9. Tornillo sin fin (Caja de cambios).
El siguiente bloque representa el mecanismo rueda y eje el cual transforma un movimiento de rotación en un movimiento de traslación mirar la figura 10.
En la figura 11, se muestra un bloque que representa una fuente energía mecánica que genera fuerza proporcional a la señal de entrada, mantiene la fuerza determinada en la salida independientemente de la velocidad debido a eso es ideal.
Figura 11. Fuente ideal de fuerza.
La señal positiva en el puerto S genera una fuerza que actúa de C a R, esto significa que la fuerza es positiva si actúa en la misma dirección. La fuerza generada por la fuente es directamente proporcional a la señal en el puerto de control S.
La fuerza generada por la fuente es negativa cuando en el puerto R se abastece energía.
Así mismo para la activación del bloque por el puerto S para generar la variación de la fuerza deseada se puede utilizar cualquier tipo de fuente de señal Simulink para este modelo se utiliza un bloque generador de señales, ver figura 12.
Figura 12. Bloque generador de señal.
La señal generada se muestra en la figura 13, es una señal digital que tiene una variación discreta en el tiempo y los parámetros respecto al tiempo se especifica a continuación:
t<2s 0N
4s<t<6s 1000N
Figura 13. Señal digital con variación discreta en el tiempo.
Se observa que los valores de la señal digital son negativos debido a que la fuerza generada por el bloque de fuerza de carga es directamente proporcional a la señal en el puerto de control S, es decir si se introduce un valor negativo el valor de la fuerza será negativa(R a C), esto es debido a que el movimiento de tornillo de avance se realiza en un sentido y la fuerza de carga debe tener el mismo sentido.
Adicionalmente, se puede observar el comportamiento de otras variables físicas, como la corriente, la velocidad angular generada y la velocidad lineal, para obtener los datos se coloca un bloque sensor correspondiente a cada uno y un bloque visualizador de la variable física en cada caso. Mirar la figura 14.
Una vez realizada la simulación se observa el comportamiento en función del tiempo usando el scope en Simulink.
Corriente Vs Tiempo
Figura 15.Variación de corriente en función del tiempo.
Se observa en la figura anterior que la corriente del motor cc en 2s cambia de 0.5 A. a 1.5 A. de la misma forma en 6s alcanza su valor de corriente máxima que es 5 A.
Velocidad angular Vs Tiempo.
Figura 16. Variación de velocidad angular en función del tiempo.
Velocidad lineal Vs Tiempo.
Figura 17. Variación de velocidad lineal en función del tiempo.
De la misma forma se observa que el motor cc al iniciar la simulación tiene una velocidad lineal sin carga de 26mm/s y al momento de ir aplicando la carga va disminuyendo, además la velocidad lineal nominal se alcanza a los 2s y tiene un valor de 19mm/s.
Dentro de la simulación es posible variar los parámetros de la máquina e inclusive cambiar las condiciones iniciales del modelo y así obtener diferentes gráficas en función del tiempo.
2.3. INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR LINEAL MEDIANTE
MICROCONTROLADOR
En la inversión de giro se utiliza un driver para motores el cual proporciona más corriente al motor debido a que el microcontrolador no suministra lo suficiente, de esta forma, con el driver se puede alimentar el motor a una fuente de alimentación externa.
El driver utilizado comúnmente es el L293D el cual es un circuito integrado para controlar motores de corriente directa que utiliza el sistema puente en H, este sistema sirve para controlar el sentido de giro de un motor mediante transistores (DiyMakers, 2013).
la izquierda, por el contrario al aplicar tensión en Q2 y Q3 el motor gira hacia la derecha.
Figura 18. Funcionamiento de puente H con transistores. (DiyMakers, 2013)
El circuito integrado (CI) tiene dos puentes H y provee 600mA al motor y soporta un voltaje entre 4,5 y 36V.
En la figura 19, se puede ver el esquema del driver, el esquema está compuesto por diodos colocados internamente, los pines 3,6,11 y 14 son salidas y se conectan en los bornes del motor, los pines 2,7,10 y 15 son entradas para el microcontrolador y dependiendo del valor los motores giraran en un sentido o en otro, los pines 4,5,12 y 13 son pines a GND, el pin 16 es polarización del driver, el pin 8 es polarización de los motores conectados al driver los pines 1 y 9 activación de puente H , es decir uno lógico puente activado y cero lógico puente desactivado giro libre de motor.
Para el control de velocidad de un motor de corriente continua se realiza mediante PWM o Modulador por Anchura de Pulsos es una señal cuadrada en la cual se puede variar el ciclo de trabajo sin variar la frecuencia, consiste en modificar la anchura del pulso alto llamado también Duty Cycle (Tutoriales PIC, 2013).
El PWM sirve para controlar velocidad de motores de corriente continua, controlar el sentido de un servomotor, etc.
El circuito para controlar un motor de corriente continua con driver, se ilustra en la figura 20.
Figura 20. Circuito de control de un motor CC.
Hay dos configuraciones opcionales posibles de regular velocidad/sentido de un motor usando PWM generada por el microcontrolador.
corriente al motor, esto determina la velocidad del mismo. En cambio la dirección se define de forma independiente a través de los pines digitales, una opción es utilizar un solo pin conectado y mandar la señal invertida al otro, de esa manera serán 2 líneas de control (Tutoriales PIC, 2013).
Figura 21. Configuración opcional 1 de control de un motor CC.
La otra configuración se ilustra en la figura 22, sirve para reducir las líneas de control necesarias, consiste en colocar el pin 1 a uno lógico es decir el puente activado y enviar la señal PWM al pin 2. En el pin 7 se recibe una señal PWM invertida, para conseguir la señal PWM invertida se puede usar un simple inversor (por ejemplo un transistor), en este caso si el PWM con un Duty Cycle de 50% corresponde mantener en reposo, debido a que la mitad de tiempo estamos enviando al pin 2 y la otra mitad al pin 7. De esta forma se puede manejar signo y magnitud de la señal PWM en la misma línea (Tutoriales PIC, 2013).
3.
METODOLOGÍA Y DISEÑO DEL SISTEMA
3.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA.
La metodología utilizada en este trabajo de titulación es un modelo llamado en “V” o método de 4 niveles, el cual es una representación gráfica del ciclo de vida del desarrollo de un sistema, que muestra cómo se relacionan las actividades de prueba con el análisis y diseño.
La letra “V” significa Verificación y Validación y son etapas que se muestran en la figura 23.
Figura 23. Diagrama del modelo V para sistemas Mecatrónicos. (Ingenieure, 2004).
Se realizó un diagrama funcional del sistema de validación del funcionamiento de los retrovisores para determinar las subfunciones que componen al mismo, de esa manera el sistema se compone de un sistema de control supervisado por un usuario, sistema eléctrico-electrónico que alimenta y controla el proyecto y una estructura es decir el sistema mecánico donde se ajusta el sistema eléctrico-electrónico y sus dispositivos, las cuales se evalúan y se seleccionan las variantes de solución, además se toma en cuenta para el diseño los requerimientos del cliente. El diseño específico realiza una interpretación más detallada de cada subfunción a través del diseño CAD mecánico, CAD electrónico y una interfaz de usuario mediante un software de computador. El aseguramiento de las propiedades se realiza a lo largo del proceso para verificar el cumplimiento de los requerimientos. La integración del sistema se realizó entre las subfunciones mecánica, eléctrica-electrónica e interfaz de control, para de esa manera conocer su interacción y garantizar el correcto funcionamiento del sistema de validación.
Por último se encuentra el sistema de validación del funcionamiento de los retrovisores construido que es la salida de desarrollo con el cumplimiento de los requerimientos del cliente.
3.2. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO.
Al iniciar con el diseño del sistema mecatrónico se reunió con el cliente para conocer sus requerimientos, los cuales se muestran en la tabla 1. Además en la figura 24, se muestra el diagrama de comunicación del sistema de validación.
Tabla 1. Requerimientos del sistema mecatrónico.
REQUERIMIENTO DESCRIPCIÓN
ESTRUCTURA MECÁNICA
Tipo Sistema de estructura Ajustable
Material Nylon Poliamida ( Plástico, Duralon)
REVISIÓN
Tabla 1. Requerimientos del sistema mecatrónico continuación
Tamaño de objeto de validación
Medidas generales
263 mm 39 mm 85 mm
Medida de panel de asistencia
102.5 mm 17 mm 21mm
Tipo de validación Automática
Tiempo de validación Tiempo mín.:1 min.
Tipo de validación
Funcionamiento de comunicación de botonera Comprobar encendido y color de led
Captar beep de la bocina
Verificar funcionamiento de micrófono Examinar comunicación con PC
Forma de instalación
de objeto a validar Forma manual VARIOS
Control Por medio de microcontrolador
Tensión de
funcionamiento Corriente continua Tipo de
comunicación Serial Movilidad Portable
Ubicación Sobre el piso o sobre una superficie plana
Interfaz amigable con
el usuario Por medio aplicación de software de PC Ambiente de
funcionamiento Inmune al ruido, calor y ergonómico
Figura 24. Diagrama de comunicación del sistema de validación.
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA.
Operador Sistema µC Micrófono Computador Amplificador Audio Bocina Sistema de potencia Etapa de verificación de color Motor Sensor Estructura Ajustable Retrovisor Micrófono interno Dispositivo de enlace
Flujo de energía
Flujo de información Fuente DC 12V
Figura 25. Diagrama funcional del sistema de validación.
Se observa en el diagrama funcional que el operador es el que controla todo el sistema mediante una interfaz de software en el computador, además el sistema tiene dos puertos de comunicación, el uno es la comunicación bidireccional del protocolo entre el dispositivo de enlace, el computador y el retrovisor a validar y el otro es la comunicación serial entre el computador y un sistema de microcontrolador que consta de un sistema de potencia para el movimiento de los motores cc lineales, los cuales verifican el funcionamiento de comunicación de la botonera y una etapa de verificación de color para la activación de un sensor, el cual comprueba el encendido y color de led en este proyecto será el color rojo y verde, el retrovisor se coloca de forma manual en una estructura móvil, conjuntamente esta se relaciona con el sistema de microcontrolador. Para percibir el beep de la bocina del retrovisor se acopla un micrófono que representa una entrada de audio en el computador y por ultimo para probar el funcionamiento del micrófono interno se necesita una salida de audio acondicionada del computador a una bocina, el acondicionamiento se realiza mediante un amplificador de audio.
3.4. DISEÑO ESPECÍFICO DEL SISTEMA.
3.4.1. SISTEMA MECÁNICO - ELÉCTRICO.
En esta sección del trabajo de diseño se obtuvo la geometría del corpus y de los mecanismos de la máquina validadora de funcionamiento de retrovisores mediante una herramienta CAD.
3.4.1.1. Diseño de la estructura mecánica.
En el diseño de la estructura mecánica se tomó en cuenta algunos requerimientos por parte del cliente que son:
Tamaño de retrovisor a validar.
Estructura ajustable.
Colocar de forma manual el objeto a validar.
Además el retrovisor tiene un panel de botonera de asistencia compuesto por botones, un micrófono interno y un diodo led.
En la parte posterior del retrovisor se encuentra una bocina, un conector tipo hembra de comunicación serial y un brazo móvil, esta pieza es parte del retrovisor, los cuales dependiendo de la posición de estos componentes del retrovisor se diseñó una pieza de empuje del retrovisor; mirar la figura 26, en la pieza se ubicaría un conector tipo macho de comunicación serial del retrovisor, un micrófono para captar señal de la bocina y se apoyara el brazo móvil.
Mantener inmóvil el retrovisor en la estructura se logró mediante una brida de amarre que es un mecanismo que sirve como abrazadera de empuje; mirar la figura 27. Tiene una acción de línea recta cuando el émbolo se mueve en línea recta hacia adelante y se bloquea cuando el mango se mueve hacia adelante y el émbolo también se bloquea cuando la manija se mueve hacia atrás.
Figura 27. Brida de amarre. (IndiaMart, 2016)
La brida fue proporcionada por la empresa auspiciante y se colocó en la parte posterior de la pieza de empuje.
El diseño de la estructura mecánica ajustable con algunos aspectos mencionados anteriormente se muestra en la figura 28.
Como se observa en la figura anterior del diseño, la pieza de empuje se mueve horizontalmente sobre otra pieza de la estructura y dispone de sitios para el ajuste de los componentes del mismo necesarios para la validación.
3.4.1.2. Diseño de dispositivo de activación automática del panel de botonera asistencia.
El objetivo del diseño es tener un dispositivo automático, para esto se tomó en cuenta el tamaño del panel de asistencia, su medida se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Medidas del panel de asistencia.
MEDIDAS DE PANEL DE ASISTENCIA
Medida 1 ( Largo) Medida 2 (Ancho) Medida 3 (Altura)
102.5 mm 17 mm 21 mm
La distancia entre botones es un factor importante para el diseño como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Distancia entre botones del panel de asistencia.
La fuerza perpendicular aplicada en cada botón para oprimir es de 10 N esto se examinó mediante un dinamómetro digital adquirido en la empresa.
Figura 30. Motor lineal FIRGUELLI serie L12 tipo “S”. (Firgelli, 2016)
El motor FIRGUELLI serie L12 tipo “S” se acciona mediante la inversión de polaridad en dos cables del motor. Tiene un fin del límite de carrera, que apaga la unidad si se encuentra con su tope, en la tabla 3, se muestra las características de este tipo de motor, con los motores lineales se busca eliminar la intervención del operador al momento de oprimir cada botón.
Tabla 3. Características de motor lineal FIRGUELLI
CARACTERISTICAS
Longitud de carrera 30 mm
Voltaje de alimentación 12 V
Relación de transmisión. 50:1
Potencia Eficiente 6N -> 16mm/s
Velocidad Máxima (Sin carga) 23 mm/s
Corriente de descarga 220 mA
botones, aparte de eso un dispositivo de ajuste y alineación, que permite mantener fijo y calibrar el lugar de empuje de los motores.
Figura 31. Dispositivo de activación automática.
Para unir la estructura mecánica ajustable con el dispositivo de activación se diseñó un chasis de protección. El diseño mecánico completo del sistema de validación de retrovisores se muestra en la figura 32.
Figura 32. Diseño mecánico del sistema de validación de retrovisores.
3.4.2. SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO.
Para el diseño del sistema eléctrico-electrónico se utilizó un software de diseño CAD electrónico para placas de circuito impreso.
3.4.2.1. Diseño de sistema electrónico.
En el sistema electrónico se encuentra un sistema de microcontrolador que se encarga de tener comunicación y procesar información entre el computador y el sistema de validación.
Para el diseño se tuvo que determinar qué microcontrolador se va a utilizar y tener claro el número de pines necesarios, cuantas entradas, cuantas salidas, cuantos puertos de comunicación, si tiene o no entradas análogas, además el sistema de validación debe tener compatibilidad con los demás equipos electrónicos de prueba pertenecientes a la empresa auspiciante, es decir dimensionar el microcontrolador. En la tabla 4, se muestra el número de pines que debe necesitar el sistema de microcontrolador.
Tabla 4. Dimensionamiento del microcontrolador.
# de pines Detalle de los pines Entradas
2 ADC, sensor de color
Salidas
3 Indicadores de color
15 Posición de motores
1 Selector de audio
Comunicación
2 RX/TX Comunicación PC
Reloj
2 Cristal
Alimentación
2 GND, VCC
Programación
3 PGC,PGD,MCLR
Teniendo en cuenta el número de pines necesarios, se escogió un microcontrolador PIC18F452, de Microchip de cuarenta pines, en la figura 33, está la distribución de pines.
Figura 33. Distribución de pines PIC18F452.
Luego se diseñó la etapa de alimentación del microcontrolador y en sí de todo el sistema. En la entrada del sistema se proporciona 12v para la alimentación de los motores, luego se coloca un regulador de voltaje de 5v para el funcionamiento del sistema y del microcontrolador, como se observa en la figura 34.
Figura 34. Circuito regulador de alimentación.
El regulador tiene 4 pines de conexión:
1) Entrada de voltaje de12V.
2) Salida de voltaje regulada de 5V. 3) GND.
4) Función de anulación de salida.
El sistema electrónico debe comunicarse con el computador serialmente a continuación se explica cómo se implementó.
La comunicación serial del sistema será mediante RS 232 de dos hilos punto a punto, esto quiere decir que los datos se envían uno a la vez.
Para la conexión se utilizó un conector DB9 RS232 en la figura 35, se detalla los pines de conexión de este conector.
Figura 35. Pines de conexión DB9 RS232. (Brainboxes, 2016)
Los pines 2,3 y 5, RX, TX y GND serán utilizados para la comunicación del sistema.
Figura 36. Circuito de comunicación serial.
La conexión del cristal en el microcontrolador se observa en la figura 37. Al trabajar con comunicación serial se debe utilizar un cristal externo que permita el intercambio de datos sin perdidas de información por esto se utilizó un cristal de cuarzo externo de 20 MHz de frecuencia y dos capacitores de 22 pF conectados a tierra para que el cristal oscile a su frecuencia de trabajo, es un valor estándar para este tipo de microcontrolador.
Figura 37. Circuito de conexión de cristal MCLR y conector ICSP.
Así mismo se realizó la conexión para el conector ICSP, el cual permite la programación del microcontrolador mientras está conectado en el circuito de aplicación, evitando el deterioro por rotura o descargas electroestáticas debido a la manipulación del microcontrolador.
El conector ICSP consta de 5 pines de microcontrolador y son:
VPP: Voltaje de programación es de 13 voltios, el microcontrolador entra en modo programación cuando se conecta.
VCC: Alimentación positiva.
GND: Alimentación negativa.
ICSDAT o PGD: Datos de programación, es una línea de datos bidireccional síncrona serie.
ICSCLK o PGC: Reloj de programación, es una línea unidireccional síncrona serie de reloj que va desde el programador hasta el microcontrolador (Dispositivos Lógicos Programables, 2013).
Para el diseño de la etapa de verificación de color del sistema de microcontrolar se utilizó un sensor de color, el sensor es el HDJD-S822, mirar la figura 38, que convierte la luz RGB a salidas de tensión analógicas, denotados VROUT, VGOUT y VBOUT respectivamente. Su tensión de alimentación es de 5 V.
Figura 38. Sensor HDJD-S822. (SparkFun, 2012).
la configuración de mejor ganancia, esta es conectar todos pines de configuración de ganancia a GND, adicionalmente el sensor necesita alimentación VCC, GND y un puerto digital de salida del PIC para la activación del mismo(pin LED). El diseño del circuito de conexión del sensor se ilustra en la figura 39.
Figura 39. Circuito de conexión del sensor HDJD-S822.
Se incluyó dos pines de salida en el microcontrolador que dan aviso del color identificado en el sensor, mirar la figura 40.
Figura 40. Pines indicadores de color del sensor
Figura 41. Circuito de potencia del dispositivo de activación automática.
En el diseño del sistema se incluyó un puerto de salida en el microcontrolador el cual se acopla a un circuito electrónico digital de control y protección del relé que se explica posteriormente, además de un diodo led en paralelo a la alimentación del circuito para verificar el funcionamiento de la tarjeta.
Luego de haber explicado la conexión y funcionamiento de los componentes del sistema electrónico en el Anexo 2, se muestra el diagrama esquemático y PCB respectivamente.
3.4.2.2. Diseño de sistema eléctrico.
Para comprobar el funcionamiento del micrófono interno del retrovisor se diseñó un sistema eléctrico que consta de un circuito amplificador estéreo de baja potencia compuesto por un CI TDA2822, para el diseño solo se utilizó un solo canal del CI como se observa en la figura 42.
Figura 42. Circuito amplificador de audio.
entrada inversora (pin 8) se coloca un capacitor (C3) a tierra. La salida amplificada (pin 1) se acopla a un altavoz utilizando un condensador (C2), la rama del condensador (C4) y la resistencia (R2) conectada a través del altavoz está diseñada para mejorar la estabilidad de alta frecuencia y evitar oscilaciones, la alimentación del amplificador es 12V y GND, pin 2 y 4 respectivamente.
Se tomó en cuenta que en el sistema mecatrónico hay dos entradas de audio, una es el micrófono interno del retrovisor y la otra es el micrófono PC acoplado en la pieza de ajuste de la estructura cerca del retrovisor para la captación de pitos de la bocina del retrovisor, para ello se utilizó un micrófono unidireccional que se muestra en la figura 43.
Figura 43. Micrófono Unidireccional. (Mouser, 2015)
El micrófono se encarga de detectar las ondas sonoras en una única dirección y las transforma en energía eléctrica equivalente en el proceso de grabación y reproducción de sonido, además la especificaciones se muestra en la tabla 5. De la misma manera el micrófono fue proporcionado por la empresa auspiciante.
Tabla 5. Especificaciones de micrófono Unidireccional.
ESPECIFICACIONES
Sensibilidad (-) 47 ± 4 dB
Tensión operativa 1,5 Vdc
Máx. Tensión de funcionamiento 10 Vdc
Consumo de corriente 0,5 mA
Respuesta de frecuencia 100 - 1000 Hz
Debido a que en el computador hay dos conectores de audio, entrada (micrófono) y salida (auriculares) respectivamente lo que se quiere es tener una entrada de audio al computador y seleccionar un solo micrófono, para esto se añadió en el sistema eléctrico un circuito selector de audio, para el diseño del mismo se eligió un conmutador o relé doble que permite abrir o cerrar circuitos eléctricos independientes, en la figura 44, se observa los pines de conexión de un relé doble, consta de una bobina de excitación (B) para el control del relé, contactos que cambian su posición dependiendo el estado de la bobina y son Común (C), Normalmente cerrado(NC) y Normalmente abierto (NO).
Figura 44. Pines de conexión de un relé doble
El control del circuito selector se realiza mediante el sistema de microcontrolador, además se realizó un circuito electrónico digital, el cual consta de un transistor NPN que funciona como interruptor, para la protección del transistor al momento de interrumpir la corriente en la bobina, se conecta en paralelo un diodo rectificador inversamente polarizado que absorbe una tensión de polaridad opuesta; mirar la figura 45.
En la figura 46, se observa el circuito selector de entrada de audio por medio de un conmutador.
Figura 46. Circuito selector de entrada de audio
En la bobina de excitación se coloca una bornera que acopla al circuito electrónico digital, en los contactos comunes (C) se colocó un conector Jack de audio que va a la entrada de audio del computador, en los contactos NC se conecta un micrófono PC. En los contactos NO se conecta el micrófono interno del retrovisor.
En el Anexo 3, se muestra el diagrama esquemático y PCB respectivamente de los componentes del sistema eléctrico.
Se procede a implementar el diseño del sistema eléctrico-electrónico directamente en un protoboard como se observa en la figura 47 se da debido que la empresa provee con facilidad los materiales y herramientas a utilizar y de esa manera los resultados del diseño se puede manipular en ese instante.
3.4.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL.
3.4.3.1. Algoritmo de control electrónico con PIC.
El algoritmo de control que gobierna en el sistema electrónico es el encargado de la comunicación entre el computador y el sistema microcontrolador mediante comunicación serial y se encarga de interpretar los datos, sigue el diagrama de flujo de la figura 48, básicamente el algoritmo de control consta de 4 partes: accionamiento de sistema de potencia, activación de la etapa de verificación de color, la activación del circuito selector de audio y desactivación del circuito selector de audio o el sensor de la etapa de verificación de color.
La comunicación entre el computador y el sistema eléctrico-electrónico se ejecuta a través de la interrupción lanzada por la recepción de datos por el puerto RS232, esto quiere decir que el sistema de microcontrolador deje de lado la tarea que se encuentre realizando, atienda otra tarea y luego regrese y continúe con la tarea pendiente. Las interrupciones se logran por desbordamiento del registro INTCO del microcontrolador y se obtienen mediante banderas, cada bandera es un bit del registro, que cambia de estado de 0 a 1 cuando se produce la interrupción.
Para activación y procesamiento de información del sistema eléctrico-electrónico se realiza mediante el envío de un carácter desde el computador. Cada carácter genera una interrupción y cumple una función específica.
La interfaz entre el sensor y el microcontrolador se debe activar el módulo de conversión análogo digital (ADC) del microcontrolador, para esto se modifica los registros ADCON0 y ADCON1 debido a que son dos colores a identificar (rojo y verde) se activa dos canales analógicos. Los bits de este registro se encuentran en la hoja de datos del microcontrolador.
digitales que se obtiene para cada valor. Luego de identificar cada color se envía a dos puertos de salida del microcontrolador la señal de aviso del color captado.
El control del motor se realiza mediante salidas digitales del microcontrolador, una activa o desactiva el estado del motor y las otras dos regulan mediante un retardo de tiempo el avance y retroceso del motor, este control se realiza para los 5 motores del dispositivo de activación automática.
El circuito selector de audio controla la entrada de audio al computador, se realiza mediante un puerto de salida del microcontrolador que envía una señal al circuito electrónico digital para activar o desactivar el selector, de esa manera se puede activar el micrófono interno del retrovisor o el micrófono unidireccional externo y de esa manera regular el funcionamiento de las entradas de audio en el computador.
INICIO INICIALIZAR VARIABLES CONFIGURACIÓN DE PUERTOS DE INTERRUPCIÓN RS232 RX INT | NO A ? NO E ? NO S ? NO D ? SI NO MOTORES SENSOR DE COLOR SELECTOR DE AUDIO DESACTIVAR SENSOR / SELECTOR TX RS232 FIN
Figura 48. Diagrama de flujo de control electrónico con PIC.
El sistema de control es de lazo abierto, debido a que solo actúa el proceso sobre las señales de entrada y da como resultado señales de salida independiente a las de entrada, la retroalimentación que requiere este sistema es la activación de los botones del espejo, y el funcionamiento del micrófono, led y bocina del retrovisor.
3.4.3.2. Interfaz de control desde un PC.
La interfaz de control consiste en la programación en un entorno de desarrollo de aplicaciones, como es el software Visual Studio C#, esta aplicación se la realiza tomando en cuenta los requerimientos definidos en la metodología de este trabajo de titulación
Se requiere una interfaz gráfica de usuario .NET donde se puede interactuar con el algoritmo de control del sistema eléctrico-electrónico y de esa manera controlar y verificar la operación de sistema de validación.
Algoritmo de control principal.
La figura 49 muestra el diagrama de flujo del algoritmo de control principal del sistema de validación de retrovisores
INICIO SELECCIÓN DE PUERTOS COM PRUEBA DE FUNCIONALIDAD DE BOTONERA ACTIVAR PUERTOS RETROVISOR Y PCB
PUERTOS COM ACTIVOS?
PRUEBA DE ENCENDIDO DE LED
DE RETROVISOR PRUEBA DE AUDIO
DE BUZZER DE RETROVISOR PRUEBA MICRÓFONO DE RETROVISOR SI FIN NO RESULTADOS
El algoritmo inicia con la conexión entre la interfaz de los puertos de comunicación del sistema electrónico y del dispositivo de enlace del retrovisor
A continuación se presenta el diseño del algoritmo de la interfaz de las diversas pruebas de validación de un retrovisor.
Prueba de funcionalidad de botonera.
En la figura 50, se muestra el algoritmo de la prueba de funcionalidad que inicia con la configuración de los actuadores y luego se procede a la activación de los mismos.
INICIO CONFIGURACIÓN DE ACTUADORES ACCIONAMIENTO DE MOTORES FUNCIONALIDAD BOTONERA DE OK?
“ PRUEBA OK “ SI
NO RECEPCIÓN DE TRAMAS DE
BOTONERA EN PC
ANALISIS DE TRAMAS
FIN
< N VECES SI REPORTAR ERROR GUARDAR REGISTRO NO
Cada actuador activado oprime un botón del panel asistencia y este mediante el dispositivo de enlace envía una trama de datos por puerto serial, se analizan estos datos de cada botón si el análisis de toda la botonera es correcta la prueba es correcta y si es incorrecta se vuelve a realizar la prueba n veces, si la prueba persiste reporta un error. Los resultados de la pruebas son almacenados en un “REGISTRO” y se procede a la siguiente prueba de manera automática.
Prueba de encendido de led de retrovisor.
El algoritmo de la prueba de encendido de led que se muestra en la figura 51, inicia con la activación del sensor, de la misma manera mediante el dispositivo de enlace se enciende el led interno del retrovisor.
INICIO
ACTIVACIÓN DE CAPTURA DE SENSOR
DE COLOR
ENCENDIDO DE LED DE RETROVISOR
LECTURA DE VALORES PROPORCIONADOS POR
SENSOR
ANÁLISIS DE VALORES
VR CORRECTO ?
VG CORRECTO? “COLOR ROJO” “COLOR VERDE” SI SI
“PRUEBA OK”
FIN GUARDAR REGISTRO <N VECES SI REPORTAR ERROR NO DESACTIVAR NO 1 1 1 NO 2 2 INICIO DESACTIVAR SELECTOR O SENSOR
FIN
El sensor detecta los colores y envía los valores para su lectura y análisis, si los valores del color rojo ”VR” están en el rango admisible, se envía un mensaje del color y pasa a sensar el siguiente color, de la misma manera si los valores del color verde ”VG” están en el rango correspondiente se envía un mensaje del color si se detectó los dos colores la prueba fue correcta y si no se debe realizar nuevamente la prueba por n veces, si una de las pruebas sigue siendo incorrecta se reporta un error, al terminar la prueba se desactiva el sensor. Los resultados son guardados en un “REGISTRO”.
Prueba de audio de bocina de retrovisor
En la figura 52, se muestra el algoritmo de la prueba de audio que mediante el dispositivo de enlace se genera un beep el cual es capturado por el micrófono PC.
INICIO
ACTIVAR BEEP EN BOCINA DE RETROVISOR
CAPTURA DE BEEP EN MICRÓFONO PC AUDIO ENTRE LIMITES ADMISIBLES? “PRUEBA OK” SI FIN ANALISIS DE AUDIO
CON FFT.DLL <N VECES NO SI REPORTAR ERROR NO GUARDAR REGISTRO
La frecuencia del beep es examinada por una librería de análisis de frecuencia por Fourier, si el audio tiene una frecuencia admisible la prueba es correcta y si no es correcta realiza la prueba n veces hasta que sea correcta y si persiste la prueba incorrecta se reporta un error, los resultados de esta prueba se guarda en un “REGISTRO”.
La librería utilizada en esta prueba fue realizada en Matlab y fue proporcionada por los ingenieros del departamento de desarrollo de herramentales de la empresa auspiciante.
Prueba micrófono de retrovisor.
El algoritmo de la prueba de micrófono de retrovisor se muestra en la figura 53, inicia con la activación del selector de audio (MUX).
INICIO
ACTIVACIÓN MUX DE AUDIO
MICRÓFONO DE RETROVISOR ACTIVADO
REPRODUCCIÓN DE AUDIO EN SPEAKER PC
RECONOCIMIENTO MEDIANTE “SPEECH RECOGNITION” EN
MICRÓFONO DE MIRROR
ANÁLISIS DE AUDIO
AUDIO CAPTADO CORRECTAMENTE? “PRUEBA OK” FIN SI DESACTIVAR INICIO DESACTIVAR SELECTOR O SENSOR FIN <N VECES NO SI GUARDAR REGISTRO REPORTAR ERROR NO
4.1. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA. 4.1.1. SISTEMA MECÁNICO - ELÉCTRICO.
Los planos del diseño mecánico se enviaron a un taller de maquinado en fresadora para la fabricación y montaje de cada parte en el material requerido por la empresa auspiciante, el sistema mecánico fue construido en Duralón de diferentes medidas de espesor como se muestra en la figura 54.
Figura 54. Sistema mecánico construido
Además en la figura 55, se muestra la construcción de dispositivo de activación automática y es acoplado en el interior del sistema mecánico, la construcción del dispositivo se lo realizó en el mismo material.
4.1.2. SISTEMA ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO. 4.1.2.1. Construcción del sistema electrónico.
La elaboración del sistema de igual manera se envió el diagrama PCB a una empresa fabricante de PCB´s, la PCB es a doble lado con un recubrimiento de color verde para proteger el estado de las pistas como se observa en la figura 56.
Figura 56. Tarjeta de sistema electrónico construida.
En la figura 57 se muestra el ensamble de todos los elementos electrónicos del sistema y se verificó que la tarjeta funcione correctamente, además se conectó un bus de cables para el sensor.
4.1.2.2. Construcción del sistema eléctrico
El sistema eléctrico fue construido por el desarrollador del proyecto. Luego de hacer el diseño, se procedió al grabado y erosionado de la misma
Para esto se imprimió a láser el diseño en una hoja de papel fotográfico, esto con el fin de poder estampar el diseño en la baquelita
La baquelita usada fue una baquelita de fibra de vidrio de un solo lado, luego del proceso de estampado se procede al proceso de erosión de cobre que consiste en sumergir la baquelita en un recipiente plástico, con agua y cloruro férrico, luego de unos minutos se saca la baquelita y habrá quedado solo las pistas que se necesitan para interconectar los elementos del circuito
Al terminar el proceso de erosión, solo queda perforar, soldar todos los elementos electrónicos y verificar que no existan cortocircuitos entre las pistas; mirar la figura 58.
Figura 58. Tarjeta de sistema eléctrico ensamblada.
Con esto termina el proceso de construcción de las tarjetas del sistema de validación.
4.1.3. SISTEMA DE CONTROL.
Figura 59. Interfaz de control de sistema de validación de retrovisores.
La explicación de cada uno de los componentes se lo realizara más adelante en la prueba de funcionamiento del sistema mecatrónico
4.2. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA
Para acoplar el sistema eléctrico-electrónico en el sistema mecánico se colocó una pieza del mismo material sobre el dispositivo de activación automática como se muestra en la figura 60, sobre esa pieza se ubican las tarjetas para la conexión de motores, sensor, dispositivos de entrada y salida de audio del computador.
Para visualizar los componentes del sistema electrónico con la ayuda de un taladro se realizó varias perforaciones en las paredes laterales del chasis o estructura mecánica ajustable como se muestra en la figura 61.
Figura 61. Ajuste de componentes de sistema electrónico en chasis
En la otra pared lateral de la misma manera se realizó una perforación para el conector serial.
En la figura 62, se muestra la adaptación del sensor en el sistema mecánico se realizó a través de una pieza impresa en 3D que se ajusta en el sistema mecánico con un tornillo, los planos de esta pieza está en el Anexo 1, la pieza queda situada alado de los acoples de los motores.
Figura 62. Adaptación de sensor en chasis o sistema mecánico.
Las entradas y salidas del sistema eléctrico son acopladas en el sistema mecánico como se observa en la figura 63.
Figura 63. Ajuste de sistema eléctrico en sistema mecánico.
Figura 64. Micrófono PC en pieza de ajuste.
Para mejorar la captación del beep en el micrófono PC se colocó un material plástico, el cual permite aislar el micrófono de ruidos externos además de proteger al espejo de posibles ralladuras.
La conexión del conector de comunicación serial del retrovisor debe ser automática, para esto se utilizó pines retractiles y un conector impreso en 3D, los pines son insertados en el conector 3D y cada pin se soldó con un cable del arnés de comunicación como se muestra en la figura 65.
Figura 65. Conector de comunicación automática de retrovisor
El conector 3D se acopló a la pieza de ajuste del retrovisor como se observa en la figura 66, con esto al momento de ajustar el retrovisor en el sistema mecánico también se conecta serialmente con el dispositivo de enlace.
Para conseguir la señal de audio del micrófono interno del retrovisor se revisó la distribución de pines del conector de comunicación del retrovisor.
Luego de identificar los pines de la señal de audio del micrófono interno del retrovisor se realizó una conexión en paralelo entre arnés de cables de comunicación de retrovisor.
Al final se colocó unas caratulas de identificación de cada elemento del sistema electrónico sobre el sistema mecánico y se conectó con la interfaz de usuario, quedando el sistema de validación completo como se observa en la figura 67.
Figura 67. Integración del sistema de validación.
Conjuntamente en el sistema de validación se colocó un retrovisor para realizar posteriormente las pruebas de funcionamiento
4.3. PRUEBAS DEL SISTEMA MECATRÓNICO
Luego de la integración de los subsistemas del proyecto se procede a realizar las pruebas de funcionamiento para verificar que su funcionamiento sea el esperado
computador con el sistema de validación y conjuntamente con dispositivo de enlace.
El usuario escoge los puertos disponibles en la sección comunicación y pulsa el botón “Conectar”, si los puertos se conectan correctamente se observa los resultados en la interfaz de control como se muestra en la figura 68.
Figura 68. Conexión exitosa puertos COM
Una vez conectados los puertos el botón cambia su texto a “Desconectar”, esto indica que los puertos están conectados correctamente, al volver a pulsar el botón nuevamente cambia su texto a “Conectar” y los puertos se desconectan.
Al momento de conectar los puertos también se habilitan los botones “Prueba” y “Beep” que serán utilizados a continuación para las diversas pruebas
La siguiente fase consiste en verificar el funcionamiento de todas las pruebas por medio del usuario y su interacción con la interfaz de control y son: funcionamiento de botonera, identificación de color del led, prueba beep de la bocina y la verificación de funcionamiento del micrófono interno.
Figura 69. Inicio de pruebas de validación.
La interfaz de control cambia automáticamente a la siguiente prueba que es la identificación de color del led.
Esta prueba consiste en verificar el led cuando cambia su color a rojo y a verde, los resultados de esta prueba se mostraran en la interfaz de control y en el sistema de validación.
En la figura 70, se muestra la prueba de identificación del color rojo validada en la interfaz de control y en el sistema de validación cuando el valor del sensor se encuentra en los rangos admisibles.
